Правила масштабирования МОП - транзисторов

В 1972 г. Деннардом был предложен принцип технологического проектирования физических структур МОП - транзисторов, в соответствии с которым все размеры элементов и напряжения, включая пороговое напряжение, уменьшаются, а концентрация примеси увеличивается в одно и то же число раз a. Величина a называется коэффициентом масштабирования. Из соотношений электростатики следует, что распределение напряженности электрического поля будет таким же, как и в исходной приборной структуре с большими размерами. Надо отметить, что в 1972 г. минимальные размеры элементов микросхем достигали 3 мкм, а МОП - схемы работали при напряжении около 10 В. Принцип Деннарда обеспечивал эффективное проектирование структур без проведения больших объемов расчетов и экспериментов.

С уменьшением размеров элементов и напряжения питания принцип Деннарда встретил серьезные ограничения. Встроенный потенциал p – n - переходов не поддается прямому масштабированию. Масштабирование порогового напряжения в той же степени, что и напряжения питания приводит к росту подпорогового тока. Принцип Деннарда ограничен по снижению напряжения питания.

Усовершенствованный метод масштабирования называется обобщенным. В этом методе размеры элементов уменьшаются пропорционально коэффициенту a, а напряженность электрического поля – в соответствии с коэффициентом e. Выбор коэффициента e определяется допустимыми токами утечки.

Коэффициенты пропорциональности в обобщенном методе масштабирования:

· для геометрических размеров – 1/a (a>1);

· для напряженности электрического поля – e (e>1);

· для потенциалов – e/a;

· для концентраций – e×a.

Концентрационные профили зависят и от размеров элементов, и от напряжений. Картина электрического поля остается неизменной в пределах масштабируемых структур. Метод масштабирования рассчитан на то, что размерные эффекты в структуре МОП - транзисторов останутся без изменений, несмотря на увеличение напряженности электрического поля.

Рост напряженности электрического поля до величины 5×10⁶ В/см приводит к усилению эффектов, связанных с «горячими» носителями. Возрастает ток затвора, снижается надежность изделий. Другим существенным ограничением допустимой величины e становится плотность рассеиваемой мощности, которая возрастает как e ².

При переходе к размерам элементов 0,25 мкм и менее появилась необходимость усложнить правила масштабирования. Толщина подзатворного окисла масштабируется с коэффициентом a_T, a длина и ширина канала, ширина проводников – с коэффициентом a_W, причем a_W > a_T. Этот метод масштабирования называется обобщенным селективным. Напряжение питания в этом методе зависит от толщины окисла, т. е. от a_T.

В табл. 2.1. приведены закономерности масштабирования транзисторных  МОП - структур в соответствии с тремя описанными выше методами.

При снижении напряжения питания до предельной величины (1 В) простое масштабное уменьшение размеров физических структур становится невозможным. Уменьшение размеров отдельных элементов структуры ведется на основе анализа физических ограничений. При таком подходе используется один из двух целевых факторов: первый целевой фактор – достижение максимального быстродействия при сохранении показателей надежности; второй целевой фактор – минимизация потребляемой мощности при заданных показателях быстродействия. В быстродействующих схемах допускаются токи утечки в транзисторах. Статическая потребляемая мощность может достигать 10% от динамической. В микромощных схемах соотношение статической и динамической мощностей не менее тысячи раз, а утечки должны быть минимальными.

Таблица 2.1

Закономерности масштабирования согласно трем различным методам

Примечание: a - коэффициент масштабирования линейных размеров; e - коэффициент масштабирования напряженности электрического поля; a_d и a_w - коэффициенты масштабирования линейных размеров при обобщенном селективном методе: a_d – при масштабировании вертикальных размеров и длины затвора; a_w – при масштабировании поперечных размеров и ширины линий межсоединений.